城市固废焚烧过程智能优化控制研究现状与展望

针对全球城市固废(Municipal solid waste, MSW)的高增长率导致城市环境持续恶化以至于“垃圾围城”现象日益增多等问题, MSW焚烧(MSW incineration, MSWI)技术能够通过发酵、燃烧、换热和净化等工艺实现废物变能源(Waste-to-energy, WTE). 在当前“双碳战略”和“蓝天净土”的新环保背景下, 作为未来长时期内MSW处理主流方式和生态文明建设与循环经济体系托底工业的MSWI过程正面临着重大机遇. 如何融合人工智能、大数据、云计算等技术实现MSWI的智慧化、低碳化和绿色化可持续性发展是目前具有挑战性的难题. 对此, 本文首先描述MSWI工艺机理, 分析其运行控制特性和实现其智能优化控制存在的难点; 然后, 从燃烧特性分析与建模、燃烧过程控制、指标建模与预测、运行监控与故障识别、操作(控制)变量优化、算法仿真验证平台等6个方面进行综述; 接着, 分析MSWI过程智能优化控制研究的必要性; 最后, 结合工业人工智能的本质给出未来研究方向. 在此基础上, 展望基于数字孪生平台的MSWI智能优化控制系统的框架和愿景, 并总结未来挑战.     

城市生活垃圾焚烧过程二次风量智能优化设定方法

垃圾焚烧过程二次风量通常是依据人工经验设定,具有主观随意性,使污染物排放浓度不达标.针对此问题,提出一种二次风量智能优化设定方法.首先,建立二次风量的案例推理预设定模型、设定值的评价与学习模型;其次,建立工艺指标的随机配置网络预测模型;接着,建立基于径向基神经网络自学习模糊推理的智能补偿模型;最后,将二次风量预设定模型、工艺指标预测模型、智能补偿模型以及设定值的评价与学习模型有机集成,设计二次风量智能优化设定方法的结构与功能,并给出算法实现.采用某垃圾焚烧厂历史数据进行实验,结果表明,所提方法获得的二次风量设定值波动程度更小,按此设定值运行的控制系统可以减少污染物排放浓度,促进垃圾焚烧过程运行优化目标的实现.     

城市污水处理过程动态多目标智能优化控制研究

城市污水处理过程(Municipal wastewater treatment process, MWWTP)是一个典型的复杂流程工业过程, 其优化运行涉及到多个动态性能指标. 为了实现城市污水处理运行过程的优化控制, 本文提出了一种城市污水处理过程动态多目标智能优化控制方法(Dynamic multiobjective intelligent optimal control, DMIOC). 首先, 建立了一种基于自适应核函数的动态性能指标模型, 实现了城市污水处理关键性能指标的准确描述; 其次, 设计了一种基于自适应飞行参数调整机制的动态多目标粒子群优化算法(Dynamic multiobjective particle swarm optimization, DMOPSO), 可有效平衡粒子的多样性和收敛性, 完成了溶解氧和硝态氮优化设定值的实时获取; 最后, 利用多回路PID控制方法对溶解氧和硝态氮优化设定值进行控制, 实现了城市污水处理过程安全稳定运行. 将提出的DMIOC应用于城市污水处理基准仿真平台, 实验结果显示: DMIOC 能够提高溶解氧和硝态氮的控制效果, 实现城市污水处理过程出水水质达标, 并降低运行成本.     

面向城市固废焚烧过程的二噁英排放浓度检测方法综述

焚烧在城市固体废物(Municipal solid wastes, MSW)的无害化、减量化和资源化处理方面优势显著. MSW焚烧(MSW incineration, MSWI)过程副产品之一的剧毒持久性污染物二噁英(Dioxins, DXN)是造成焚烧建厂“邻避效应”的主要原因. DXN排放浓度难以在线实时检测的工业现状已成为制约MSWI过程运行优化与城市环境污染控制的瓶颈. 首先, 结合典型MSWI过程分析DXN的生成特性与排放控制策略; 接着, 将DXN排放浓度检测方法从测量原理、复杂度和时间尺度等视角分为离线直接检测法、指示物/关联物在线间接检测法和软测量法并进行综述; 然后, 对不同方法的发展阶段和关联性进行分析, 指出各自的优劣性和相互间的互补性, 结合MSWI过程特点归纳基于过程数据进行DXN排放浓度软测量的难点, 并将其提炼为一类面向小样本高维稀疏标记数据的智能建模问题; 最后, 指出进行DXN排放浓度智能软测量的未来研究方向和发展前景.     

城市固废焚烧过程烟气含氧量自适应预测控制

在城市固体废弃物焚烧(Municipal solid waste incineration, MSWI)过程中, 烟气含氧量是影响焚烧效果的重要工艺参数. 由于固废焚烧过程的复杂性, 在实际应用过程中, 难以实现烟气含氧量的有效控制. 面向城市固废焚烧过程烟气含氧量控制的实际需求, 提出一种基于数据驱动的烟气含氧量自适应预测控制方法. 首先, 采用自适应模糊C均值(Fuzzy C-means, FCM)算法辅助确定径向基函数(Radial basis function, RBF)神经网络隐含层神经元个数及初始中心, 建立基于FCM算法的径向基函数神经网络预测模型, 并在控制过程中通过自适应更新策略在线调节预测模型参数; 然后, 利用梯度下降算法求解控制律, 并基于李雅普诺夫理论分析了所提控制方法的稳定性; 最后, 基于城市固废焚烧厂实际数据, 验证了所提控制方法的有效性.     

竖炉焙烧过程的智能设定模型

为了改善多目标评价案例推理设定模型在竖炉焙烧过程控制中的性能,运用注水原理分配过程变量的权重和群决策修正方法对多目标评价案例推理设定方法进行改进,得到一种新的智能设定模型.首先引入注水原理构造Lagrange函数对过程变量的权重进行优化分配,再通过案例检索和案例重用得到设定值的建议解,并根据多目标评价模型预测建议解对生产指标的影响效果,最后,对不合理的设定值进行群决策修正.将得到的设定模型应用于竖炉焙烧过程控制中,通过实验测试和对比应用说明了本文方法优于其他方法,能够有效提高多目标评价案例推理设定模型的控制性能.     

城市生活垃圾焚烧炉温控制的多目标优化设定方法

为实现城市生活垃圾焚烧(MSWI)过程的炉温稳定并避免炉排温度过高的控制目标,本文提出一种通过炉排温度和一次风温间接控制炉温的多目标优化设定方法.通过融合分解与竞争策略,将WS变换、双向学习、随机交叉、动态高斯变异引入到多目标海鸥优化算法(MOSOA)中,得到一种改进的MOSOA(IMOSOA),根据炉温的设定值、误差等信息对炉排温度和一次风温的设定值进行寻优.实验结果表明IMOSOA的寻优能力显著增强,在干扰影响下,基于IMOSOA的多目标优化设定方法可实现MSWI过程炉温的控制目标,能有效促进垃圾焚烧过程的平稳运行.     

城市污水处理过程优化设定方法研究进展

城市污水处理过程优化运行的目标是保证出水水质达标, 降低运行成本. 为了实现该目标, 需要动态更新污水处理过程操作变量的最优设定值. 由于城市污水处理过程具有多变量、多冲突、多目标、多约束、动态、时变等特点, 如何设计精确的污水处理过程运行指标模型, 如何优化过程操作变量的最优设定值, 是实现城市污水处理过程优化运行亟待解决的难题. 本文梳理了城市污水处理过程优化设定方法的研究进展. 首先, 介绍了城市污水处理过程特性和过程优化设定问题; 其次, 分别概述了基于机理和基于数据驱动的城市污水处理过程运行指标建模方法; 然后, 分别讨论了城市污水处理过程单运行指标和多运行指标的操作变量设定值寻优算法; 最后, 展望了城市污水处理过程优化设定问题的未来研究方向.     

基于TS-FNN的城市固废焚烧过程MIMO被控对象建模

针对城市固废焚烧(MSWI)过程中因机理反应复杂、不确定性严重等原因导致被控对象模型难以建立的问 题, 设计了一种基于(T-S)型模糊神经网络(FNN)的多输入多输出(MIMO)模型. 首先, 描述了MSWI过程的核心工艺 流程并分析了模型的影响因素; 接着, 设计了面向过程控制的被控对象建模策略, 其由工况识别模块、数据预处理 模块、特征约简模块、被控对象模型训练模块与被控对象模型测试模块组成; 最后, 通过实验表明了所构建模型的 有效性, 为研究MSWI过程的优化控制算法奠定了基础.     

城市固废炉内焚烧过程数值仿真及分析

一次风含氧量和二次风速度是影响城市固废焚烧(MSWI)过程炉内烟气停留时间和挥发分积累浓度的关键因素。为优化设定上述参数进而为稳定燃烧状况提供理论支撑,采用计算流体力学(CFD)技术对北京某基于炉排炉的MSWI过程的炉内焚烧过程进行模拟。首先,对研究对象进行描述,接着给出了炉内焚烧过程的数学模型、模拟方法及仿真设置;然后,重点对炉膛内气相组分燃烧过程进行了模拟;最后,分析了一次风含氧量和二次风速度对炉内温度场和浓度场的影响。模拟结果表明：炉内CO积累量和最高温度分别随一次风含氧量和二次风速度的增加而降低,炉内温度场和浓度场的分布趋势受二次风速度的影响较小。上述结果为构建接近真实MSWI过程的焚烧机理模型提供了有效支撑。     

数据驱动的城市固废焚烧过程烟气含氧量预测控制

烟气含氧量的精准控制对城市固废焚烧处理厂的稳定高效运行具有重要意义.然而,由于固废焚烧过程固有的非线性和不确定性,难以实现烟气含氧量的有效控制.为此,文中提出一种数据驱动的城市固废焚烧过程烟气含氧量预测控制方法.首先,设计了一种基于自组织长短期记忆(SOLSTM)网络的预测模型,结合神经元活跃度与显著性动态调整隐含层结构,提高了烟气含氧量的预测精度.其次,为了保证优化效率,利用梯度下降法求解控制律.此外,基于李雅普诺夫理论分析了所提方法的稳定性,确保控制器在实际应用过程中的可靠性.最后,基于实际工业数据对所提出的控制方法进行了验证,结果表明,提出的数据驱动预测控制方法能实现对城市固废焚烧过程烟气含氧量的稳定高效控制.     

基于神经网络的垃圾焚烧炉过程控制

人工操作排除垃圾焚烧炉故障对操作员要求较高,且自动化程度低.应用BP神经网络方法,采用madab软件编程建立垃圾焚烧炉过程控制模型,对垃圾焚烧炉两种典型故障的排除进行研究.在过程控制模型的建立过程中,采用神经网络集成,提高神经网络模型的泛化能力.最后以49组实际工况数据作为检验样本,检验误差率为7.612%和6.429%.检验结果表明神经网络集成可以提高模型的计算精度,该模型可以用于垃圾焚烧炉过程控制,提高设备的自动化程度.     

Heterogeneous feature ensemble modeling with stochastic configuration networks for predicting furnace temperature of a municipal solid waste incineration process

Neural Computing and Applications - Considering the accuracy, generalization ability, stability, and training efficiency of a furnace temperature model in the process of municipal solid waste...     

A hybrid intelligent optimization method for multiple metal grades optimization

One of the most important aspects of metal mine design is to determine the optimum cut-off grades and milling grades which relate to the economic efficiency of enterprises and the service life of mines. This paper proposes a hybrid intelligent framework which is based on stochastic simulations and regression, artificial neural network, and genetic algorithms is employed for grade optimization. Firstly, stochastic simulation and regression are used to simulate the uncertainty relations between cut-off grade and the loss rate. Secondly, BP and RBF network are applied to establish two complex relationships from the four variables of cut-off grade, milling grade, geological grade, and recoverable reserves to lost rate and total cost, respectively, in which, BP is used for the one of lost rate, and RBF is for the other. Meanwhile, the real-coding genetic algorithm is performed to search the optimal grades (cut-off grade and milling grade) and the weights of neural networks globally. Finally, the model has been applied to optimize grades of Daye Iron Mine. The results show there are 6. 6978 milling Yuan added compare to unoptimized grades.     

铜闪速熔炼过程操作模式的智能优化

提出了基于模式分解的铜闪速熔炼操作模式智能优化方法,描述需要在线决策的操作参数.从历史样本集中筛选优化的样本组成模式,采用基于聚类的方法进行模武分解,通过混沌遗传算法对每个模式子集寻求操作模式的优化.将该方法应用于铜闪速熔炼过程,提高了铜闪速的操作水平.     

基于特征约简与选择性集成算法的城市固废焚烧过程二噁英排放浓度软测量

城市固废焚烧(MSWI)排放的污染物二噁英(DXN)对生态环境与人类健康具有极大危害,其浓度的实时检测对MSWI过程运行优化和城市污染控制至关重要.具有痕量特性的DXN排放浓度不能实时检测,机理模型难以构建,并且其与过程变量间的映射关系复杂.针对上述问题,本文提出了一种基于特征约简和选择性集成算法的DXN排放浓度软测量...